基于阻抗控制的康复训练方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医学技术领域，特别是涉及一种基于阻抗控制的康复训练方法。
【背景技术】
[0002] 中风和脊髓损伤是导致下肢运动功能障碍的两大主要原因，患者常常伴随截瘫、 四肢瘫痪等病症，严重影响患者的日常生活。针对瘫痪患者，在经过诸如外科手术等急性期 的临床处理后，康复治疗成为主要的一种辅助治疗手段。康复治疗可以在一定程度上帮助 患者恢复受损的肢体运动功能，使患者回归正常生活。
[0003] 康复机器人作为一种自动化、智能化的医疗设备，可以有效弥补传统康复治疗中 因理疗师的经验、情绪和体力等主观因素的影响的不足，从而实现了被动式训练。
[0004] 被动式训练方式适用于患者康复初期，旨在维持关节活动和防止肌肉的萎缩，在 被动式训练过程中，患者需要被动的接受预定轨迹的康复训练，这种训练方式难以实现机 器人和患者之间的交互控制，如果患者在训练过程中出现痉挛、颤抖等异常的肌肉活动，患 者仍需按照预定的轨迹进行康复训练，从而对患者造成二次损伤。
【发明内容】
[0005] 本发明提供的基于阻抗控制的康复训练方法，从而避免了在康复训练过程中的损 伤。
[0006] 根据本发明的一方面，提供一种基于阻抗控制的康复训练方法，所述方法包括：
[0007] 步骤Sl:将肢体按第一预定的运动轨迹进行训练，并监测所述肢体的异常肌肉活 动信号；步骤S2 :如果监测到所述肢体的异常肌肉活动信号，则确定当前的运动轨迹，并根 据所述当前的运动轨迹进行训练；步骤S3 :如果所述肢体的异常肌肉活动信号不存在，则 将所述当前的运动轨迹通过预定的时间偏置的方式调整为第二预定的运动轨迹。
[0008] 本发明实施例提供的基于阻抗控制的康复训练方法，通过在监测到所述肢体的异 常肌肉活动信号的情况下，确定当前的运动轨迹，根据当前的运动轨迹进行训练，并且在肢 体的异常肌肉活动信号不存在的情况下，将当前的运动轨迹调整为第二预定的运动轨迹， 从而避免了在康复训练过程中的损伤。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明实施例提供的基于阻抗控制的康复训练方法的流程图；
[0010] 图2为本发明另一实施例提供的基于阻抗控制的康复训练方法的流程图；
[0011] 图3为本发明实施例提供的康复机器人的结构示意图；
[0012] 图4为本发明实施例提供的通过阻抗控制的双闭环结构示意图；
[0013]图5a为本发明实施例提供的末端空间的运动轨迹示意图；
[0014] 图5b为本发明实施例提供的关节空间的运动轨迹示意图；
[0015] 图5c为本发明实施例提供的关节A的下肢力矩示意图；
[0016] 图5d为本发明实施例提供的关节B的下肢力矩示意图；
[0017] 图5e为本发明实施例提供的关节A的运动轨迹示意图；
[0018] 图5f为本发明实施例提供的关节B的运动轨迹示意图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明的总体构思是，通过在监测到所述肢体的异常肌肉活动信号的情况下，确 定当前的运动轨迹，根据当前的运动轨迹进行训练，并且在肢体的异常肌肉活动信号不存 在的情况下，将当前的运动轨迹调整为第二预定的运动轨迹，从而避免了在康复训练过程 中的损伤。
[0020] 下面结合附图对本发明实施例提供的基于阻抗控制的康复训练方法进行详细描 述。
[0021] 图1为本发明实施例提供的基于阻抗控制的康复训练方法的流程图。
[0022] 参照图1，步骤S101，将肢体按第一预定的运动轨迹进行训练，并监测所述肢体的 异常肌肉活动信号。
[0023] 步骤S102,如果监测到所述肢体的异常肌肉活动信号，则确定当前的运动轨迹，并 根据所述当前的运动轨迹进行训练。
[0024] 步骤S103,如果所述肢体的异常肌肉活动信号不存在，则将所述当前的运动轨迹 通过预定的时间偏置的方式调整为第二预定的运动轨迹。
[0025] 根据本发明的示例性实施例，所述方法还包括：如果没有监测到所述肢体的异常 肌肉活动信号，则将所述肢体按所述第一预定的运动轨迹对应的有向路径进行训练；
[0026] 查找所述有向路径的位置序列中与当前位置距离最近的位置；
[0027] 如果所述当前位置与所述最近的位置的距离小于第一阈值时，则确定关节参考位 置。
[0028] 这里，有向路径只包含位置信息而没有速度和加速度信息。为得到关节空间位置 序列Qs，首先将笛卡尔空间的末端轨迹在其定义域内等间隔地均匀离散化，然后利用逆向 运动方程将末端序列转换到关节空间；为保证序列元素唯一性，当任务训练是一个循环运 动时，Ds将被设定在一个运动周期内，当训练任务是一个往返运动时，D3将被设定在半个 运动周期内。
[0029] 根据本发明的示例性实施例，所述肢体的异常肌肉活动信号具体为所述肢体的肌 肉异常收缩生成关节力矩，所述将所述肢体按所述第一预定的运动轨迹对应的有向路径进 行训练包括：
[0030] 根据公式（1)计算所述有向路径：
[0031] Qs: {qj=[qi；1qi；2]T|i=I, . . . ,L} (I)
[0032] 其中，Qs为所述有向路径的位置序列，qiSQs的第i个元素，qi的第j个元 素，L为仏中元素的个数。
[0033] 根据本发明的示例性实施例，所述查找所述有向路径的位置序列中与当前位置距 离最近的位置包括：
[0034] 根据公式（2)计算所述最近的位置的序列号：
[0035] i*=argmin! =IIq「q|I(2)
[0036] 其中，为最近位置的序列号，q为当前位置，％为与当前位置距离最近的位置。
[0037] 根据本发明的示例性实施例，如果所述当前位置与所述最近的位置的距离小于第 一阈值时，则确定关节参考位置包括：
[0038] 根据公式（3)计算所述关节参考位置，根据公式（4)计算位置序列的序号：
[0039]
【主权项】
1. 一种基于阻抗控制的康复训练方法，其特征在于，包括： 步骤Sl :将肢体按第一预定的运动轨迹进行训练，并监测所述肢体的异常肌肉活动信 号； 步骤S2 :如果监测到所述肢体的异常肌肉活动信号，则确定当前的运动轨迹，并根据 所述当前的运动轨迹进行训练； 步骤S3 :如果所述肢体的异常肌肉活动信号不存在，则将所述当前的运动轨迹通过预 定的时间偏置的方式调整为第二预定的运动轨迹。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：如果没有监测到所述肢 体的异常肌肉活动信号，则将所述肢体按所述第一预定的运动轨迹对应的有向路径进行训 练； 查找所述有向路径的位置序列中与当前位置距离最近的位置； 如果所述当前位置与所述最近的位置的距离小于第一阈值时，则确定关节参考位置。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述肢体的异常肌肉活动信号具体为所 述肢体的肌肉异常收缩生成关节力矩，所述将所述肢体按所述第一预定的运动轨迹对应的 有向路径进行训练包括： 根据下式计算所述有向路径： Qs: {qi= [q i；1qi；2]T| i = I, , U 其中，Qs为所述有向路径的位置序列，q A Q s的第i个元素，q。为q i的第j个元素， L为仏中元素的个数。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述查找所述有向路径的位置序列中与 当前位置距离最近的位置包括： 根据下式计算所述最近的位置的序列号： i*= arg min i = 1，…，h| |q「q| 其中，Γ为最近位置的序列号，q为当前位置，％为与当前位置距离最近的位置。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果所述当前位置与所述最近的位置的 距离小于第一阈值时，则确定关节参考位置包括： 根据下式计算所述关节参考位置：
其中，为所述关节参考位置，是上一时刻的参考位置，Γ为所述位置序列的序号， Th为所述关节力矩，qth为所述第一阈值，☆为与当前位置距离最近的位置。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括： 如果监测到所述肢体的异常肌肉活动信号，则根据所述关节力矩的方向确定所述关节 参考位置； 所述关节力矩通过阻抗方程获取所述当前的运动轨迹的调整量； 根据所述调整量确定所述当前的运动轨迹。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述关节力矩的方向确定所述 关节参考位置包括： 根据下式计算所述关节参考位置：
其中，为所述关节参考位置，τ h为所述关节力矩。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述关节力矩通过阻抗方程获取所述当 前的运动轨迹的调整量包括： 根据下式计算所述当前的运动轨迹的调整量： Th =Mqa+ Bqa+Kqil 其中，Th为所述关节力矩，qa为关节空间的参考位置的调整量，九为关节空间的参考 速度的调整量，A为关节空间的参考加速度的调整量，M为惯性系数矩阵，B为阻尼系数矩 阵，K为刚度系数矩阵。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述调整量确定所述当前的运 动轨迹包括： 根据下式计算所述当前的运动轨迹：
其中，q。、4和么为所述当前的运动轨迹参数。
10. 根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括： 如果所述肢体的异常肌肉活动信号不存在，并且所述当前位置与所述最近的位置的距 离大于第一阈值时，则确定关节参考位置； 根据下式计算所述关节参考位置：
其中，为所述关节参考位置，τ h为所述关节力矩，qth为所述第一阈值，f为最近位 置的序列号，q为当前位置，A为与当前位置距离最近的位置。
【专利摘要】本发明提供的基于阻抗控制的康复训练方法，包括：将肢体按第一预定的运动轨迹进行训练，并监测所述肢体的异常肌肉活动信号；如果监测到所述肢体的异常肌肉活动信号，则确定当前的运动轨迹，并根据所述当前的运动轨迹进行训练；如果所述肢体的异常肌肉活动信号不存在，则将所述当前的运动轨迹通过预定的时间偏置的方式调整为第二预定的运动轨迹。本发明避免了在康复训练过程中的损伤。
【IPC分类】A61B5-11, A61H1-02
【公开号】CN104644378
【申请号】CN201510079091
【发明人】侯增广, 胡进, 彭龙, 彭亮, 梁旭, 高占杰, 程龙, 王卫群, 谢晓亮, 边桂彬
【申请人】中国科学院自动化研究所
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年2月13日